胡國珍,馬學(xué)軍,羅 坤,方支劍

(1湖北理工學(xué)院 電氣與電子信息工程學(xué)院，湖北 黃石 435003;2武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院,湖北 武漢 430072)

全數(shù)字鎖相的高功率因素三相三線Vienna整流電路研究

胡國珍1,2,馬學(xué)軍1*,羅 坤1,方支劍2

(1湖北理工學(xué)院 電氣與電子信息工程學(xué)院，湖北 黃石 435003;2武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院,湖北 武漢 430072)

三相三線維也納(Vienna)整流電路是一個強(qiáng)耦合、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，其工作狀態(tài)組合多且控制系統(tǒng)復(fù)雜。介紹了Vienna整流裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作特點，分析了其工作原理;為實現(xiàn)高功率因素校正，引入了全數(shù)字鎖相技術(shù)(DPLL)，同時建立了Vienna整流電路三相靜止坐標(biāo)系和兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計了解耦控制雙閉環(huán)控制策略；最后，搭建了三相三線Vienna整流電路仿真模型，驗證了基于全數(shù)字鎖相技術(shù)的解耦控制算法的可行性。

維也納整流;全數(shù)字鎖相;雙閉環(huán)控制;功率因素

維也納(Vienna)整流電路是J.W.Kolar提出的一種三相三電平的拓?fù)洌撾娐肪哂休^高的可靠性，在工業(yè)界和學(xué)術(shù)界得到了廣泛的研究與應(yīng)用[1-4]。Vienna整流電路不僅能夠使交流側(cè)輸入電流正弦化，實現(xiàn)單位功率因數(shù)校正，還具有以下幾個優(yōu)點：①電路中全控開關(guān)器件少，在整個電路中只需要3個全控開關(guān)管;②開關(guān)管電壓應(yīng)力小，承受的電壓應(yīng)力為直流母線電壓的一半；③電路不會存在直通的情況，安全性高；④電路為升壓型模式，可提供較高輸出直流電壓。

Vienna整流電路設(shè)計中的一個重要環(huán)節(jié)是鎖相環(huán)，鎖相精度決定了系統(tǒng)功率因素校正水平。常規(guī)硬件過零檢測對諧波識別能力較差，低次或高次諧波中出現(xiàn)的多個過零點容易造成鑒相失敗[5]。采用離散傅里葉變換進(jìn)行軟件基波鑒相的數(shù)字鎖相抗干擾性強(qiáng)，具有較好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)調(diào)節(jié)能力[6-7]，用于Vienna整流電路能較好地提高系統(tǒng)性能和功率因素校正水平。

本文首先介紹了三相三線維也納整流電路的基本工作原理，為實現(xiàn)高功率因素，采用了離散傅里葉變換的全數(shù)字鎖相方法，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步給出了解耦控制的雙閉環(huán)控制策略，最后搭建了仿真模型進(jìn)行了驗證。

1 三相三線Vienna整流電路的工作原理

三相三線Vienna整流電路拓?fù)淙鐖D1所示，維也納整流電路由3個升壓電感、3組雙向功率開關(guān)管、6個整流二極管和2個電解電容構(gòu)成。每組雙向功率開關(guān)管由4個整流二極管和1個開關(guān)管組成。由于維也納整流電路本質(zhì)上是一個三電平整流電路，開關(guān)器件承受的電壓應(yīng)力小，因此可選用低壓高開關(guān)頻率的開關(guān)器件，降低電路對濾波器件的需求，從而降低電路損耗、提高系統(tǒng)功率密度。三相三線Vienna整流電路的拓?fù)渑c三相四線Vienna整流電路拓?fù)涞膮^(qū)別在于，三相三線Vienna整流電路的交流電源的中線N沒有與電容的中性點O連接在一起[8-9]。

分析三相三線Vienna整流電路的工作原理時需考慮三相電源Ea、Eb、Ec的正負(fù)工作區(qū)間情況。三相電源的工作區(qū)間劃分圖如圖2所示，在三相電源的一個周期內(nèi)可以將電源的工作周期分成6個工作區(qū)。

Vienna整流電路工作狀態(tài)復(fù)雜，工作過程主要由工作區(qū)間和開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)決定，為方便分析，開關(guān)狀態(tài)可以定義為：

每個開關(guān)管的開關(guān)工作狀態(tài)有2種，因此在每個工作區(qū)間開關(guān)管的開關(guān)工作狀態(tài)有8種，對應(yīng)SaSbSc分別為000，001，010，011，100，101，110，111。本研究選擇第I區(qū)的工作狀態(tài)來分析，8種工作狀態(tài)分別如圖3(a)～(h)所示，圖3中箭頭方向為電流流向。同理，第II～VI區(qū)的工作狀態(tài)可以根據(jù)第I區(qū)的工作狀態(tài)分析得出。

2 基于DPLL的雙環(huán)控制策略

2.1 全數(shù)字鎖相(DPLL)

為了能夠使交流側(cè)輸入電流正弦化，實現(xiàn)單位功率因數(shù)校正，必須保證輸入電壓和輸入電流保持相同的相位，因此控制策略里一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)是鎖相環(huán)的設(shè)計。本研究采用離散傅里葉變換鑒相的全數(shù)字鎖相(DPLL)方法，該鎖相環(huán)是基于基波周期的鑒相和調(diào)節(jié)，能提高鎖相精度和抗干擾水平。

DPLL鎖相原理圖如圖4所示，2路正交信號表達(dá)式如下：

(1)

(2)

設(shè)電網(wǎng)Vgrid=Vsinωt，電網(wǎng)相位:

θ=ωt+△θ

(3)

△θ為鎖相結(jié)果與電網(wǎng)相位之間的誤差，當(dāng)△θ=0時則表示鎖相完成。設(shè)載波比為N，由反正切鑒相得到相位誤差可表示為：

(4)

基于DSP實現(xiàn)，每個周期根據(jù)ERR值作為鎖相環(huán)PI的輸入，根據(jù)PI輸出調(diào)整一次EPWM模塊的TBPRD值，從而改變系統(tǒng)輸出頻率，實現(xiàn)輸入電流跟蹤輸入電壓相位。

2.2 雙環(huán)控制策略

由圖1三相三線制Vienna電路拓?fù)淇傻肰ienna電路交流側(cè)電壓平衡方程如式(5)，考慮到制作工藝的一致性，為簡化分析假設(shè)La=Lb=Lc=L,Ra=Rb=Rc=R。

(5)

根據(jù)坐標(biāo)變換原理，可得三相Vienna 整流器在dq坐標(biāo)系模型下的電流方程組如式(6)。

(6)

由式(6)可知dq軸電流變量存在相互耦合問題，控制器設(shè)計復(fù)雜，引入前饋解耦策略[10-12]，電流內(nèi)環(huán)采用PI控制，得出三相三線Vienna整流電路在兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如式(7)。

(7)

為了實現(xiàn)交流側(cè)輸入電流的正弦化，同時穩(wěn)定輸出電壓，基于以上解耦模型，設(shè)計了雙閉環(huán)矢量控制策略，系統(tǒng)矢量控制框圖如圖5所示。

圖5控制系統(tǒng)是由輸出端直流電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成的。直流電壓外環(huán)的作用是控制輸出電壓，引入PI調(diào)節(jié)器則可以實現(xiàn)輸出直流電壓的無靜差控制。如式(8)，電壓外環(huán)的PI調(diào)節(jié)器的輸出作為電流內(nèi)環(huán)的有功參考電流id*，無功參考電流iq*則根據(jù)系統(tǒng)無功功率的大小來設(shè)定的，實現(xiàn)單位功率因數(shù)校正則要求iq*=0。

(8)

電流內(nèi)環(huán)控制采用dq坐標(biāo)系解耦控制，檢測交流側(cè)的輸入電流ia、ib、ic，經(jīng)abc/dq坐標(biāo)變換后得到dq坐標(biāo)系中直流量id、iq，將id、iq與參考量id*、iq*進(jìn)行比較，根據(jù)式(7)采用PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)對id、iq的無靜差控制。內(nèi)環(huán)電流PI調(diào)節(jié)器輸出信號再經(jīng)過dq/abc的逆變換，得到參考控制信號ua、ub、uc，將該參考信號經(jīng)過空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)得到3路驅(qū)動控制信號，通過對雙向開關(guān)管的控制，改變整流電路輸入端口電壓，從而調(diào)控輸出直流電壓，并改善輸入電流波形質(zhì)量。

3 仿真分析

3.1 仿真參數(shù)

通過Matlab/Simulink模塊搭建了三相三線VIENNA系統(tǒng)仿真模型，該模型由三相交流輸入電源、功率變換電路、鎖相環(huán)、坐標(biāo)系變換、控制模塊等組成，仿真模型參數(shù)見表1。

表1 仿真模型參數(shù)

3.2 鎖相(DPLL)仿真

1)電網(wǎng)諧波仿真(5.4%的二次諧波，10%的三次諧波)。電網(wǎng)存在諧波情況下鎖相波形如圖6所示。

2)電網(wǎng)頻率偏移仿真(設(shè)電網(wǎng)頻率為50.5 Hz)。電網(wǎng)存在頻率偏移情況下鎖相波形如圖7所示。

從圖6、圖7仿真結(jié)果可看出，在電網(wǎng)存在諧波畸變和頻率偏移的情況下，鎖相誤差△θ能快速收斂，該鎖相算法能較好地實現(xiàn)鎖相功能。

3.3 Vienna電路仿真

Vienna整流電路經(jīng)過解耦雙閉環(huán)控制后三相交流側(cè)輸入電流仿真波形如圖8所示。從圖8中可以看出0.01 s之前為系統(tǒng)啟動階段，0.01～0.02 s為系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)階段，0.02 s后系統(tǒng)穩(wěn)定運行，輸入電流正弦度較高。

Vienna整流電路直流電壓輸出波形如圖9所示。從圖9中可以看出系統(tǒng)的超調(diào)量為11.56%，系統(tǒng)在0.4 s后運行穩(wěn)定，輸出電壓的紋波較小。系統(tǒng)輸出電壓值達(dá)到了預(yù)期的設(shè)定值，獲得了較好的輸出控制效果。

4 結(jié)束語

三相Vienna整流電路拓?fù)浜涂刂票容^復(fù)雜，本研究從電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)入手，分析了其工作方式；為了減小對電網(wǎng)諧波干擾，實現(xiàn)高功率因素，引入了全數(shù)字鎖相方式實現(xiàn)了對電網(wǎng)相位的較好跟蹤。通過對三相三線Vienna電路建模，設(shè)計了解耦控制的雙閉環(huán)控制策略，最后通過仿真進(jìn)行分析和驗證，仿真結(jié)果表明系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。

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(責(zé)任編輯 吳鴻霞)

Research on Three Phase Three Wire Vienna Rectifier Circuit with Digital Phase Locked Loop

HuGuozhen1,2,MaXuejun1*,LuoKun1,FangZhijian2

(1School of Electrical and Electronic Information Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;2School of Electrical Engineering,Wuhan University,Wuhan Hubei 430072)

Three phase three wire Vienna rectifier circuit is a strong coupling,nonlinear complex system,and its working state combination and control system is complex.This paper introduced Vienna rectifier topology structure and characteristics,analyzed the working principle.In order to achieve unity power factor, digital phase lock technique was introduced in this paper.And based on three-phase static coordinate and two-phase synchronous rotating coordinate mathematical model,strategy of double closed loop control strategy was designed.The simulation model of three-phase three wire Vienna rectifier circuit is set up,and the simulation results verify the feasibility of the system working principle and control algorithm.

Vienna rectifier;digital phase locked;double closed loop control strategy;power factor correction

2017-02-01

中國博士后科學(xué)基金第59批面上資助項目(項目編號：168154)；湖北省自然科學(xué)基金面上項目(項目編號：2016CFB516)。

胡國珍，副教授，博士，研究方向：電力電子能量變換技術(shù)。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.02.002

TM711

A

2095-4565(2017)02-0005-05

*通訊作者：馬學(xué)軍，教授，博士，研究方向：大功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制技術(shù)。